Как устроены процессоры амд

Обновлено: 03.07.2024

Сегодня вниманию наших читателей предлагается подборка материалов, посвященная процессорам производства компании Advanced Micro Devices, то есть, AMD. Подборка разбита на две части: первая посвящена процессорам AMD, которые можно купить в магазине уже сейчас, вторая часть посвящена планам по выпуску процессоров AMD, преимущественно в 2006 - 2007 годах.

Подборка и, возможно, подача материала о процессорах может показаться не совсем обычной. Дело в том, на базе этой публикации и последующих аналогичных выпусков планируется дальнейшая подготовка справочных материалов, которые помогут нашим читателям быстро и безошибочно сориентироваться в множестве наименований современных процессоров, чипсетов, графических чипов, оперативно сравнить их возможности и более уверенно определиться с покупкой того или иного компонента ПК. Вот почему текст так обильно насыщен таблицами и различными пояснениями.

Надеюсь, преданные поклонники продукции компании AMD простят отсутствие в сегодняшнем рассказе упоминаний о процессорных линейках AMD Geode GX, Geode LX и AMD Alchemy. Первые с новоявленной платформой ALPS (Advanced Low Power Solution) преимущественно нацелены на рынок встраиваемых систем и сверхбюджетных ПК, вторые - для работы в составе карманной техники и всевозможного промышленного оборудования. Поэтому на полном основании можно считать их дальнейшую судьбу интересной исключительно для узкого круга специалистов. Или заслуживающей отдельного справочного материала.

Процессоры AMD сегодня

Анализируя суммарный список современных процессоров AMD можно отметить, что компания практически полностью перешла к использованию новой архитектуры, называвшейся ещё с незапамятных времён Clawhammer/Sledgehammer, или x86-64. За редким исключением эта архитектура используется даже для выпуска самых бюджетных процессоров. И даже в этом секторе можно заметить все больше и больше процессоров класса x86-64, у которых по тем или иным причинам отключен ряд функций этой архитектуры. В классе наиболее производительных процессорных решений AMD все чаще можно встретить 2-ядерные решения, которых со временем будет становиться всё больше и больше.

С точки зрения производственных возможностей AMD можно отметить, что в 2005 году компания уверенно освоила нормы 90 нм техпроцесса с применением технологии SOI (Silicon-on-Insulator). Предыдущий 0,13 мкм техпроцесс с применением SOI также будет некоторое время вполне актуален, однако постепенный запуск производственных линий новой фабрики Fab 36 и последующее переоборудование "старой" фабрики Fab 30 сведут производство 0,13 мкм чипов к минимуму уже в следующем году.

Процессоры AMD Opteron

Процессоры серий Opteron позиционируются компанией AMD прежде всего в качестве элементов серверных систем, хотя, некоторые серии - главным образом, экономичные, рассчитаны на применение в различных встраиваемых решениях.

Основным идентификатором процессоров AMD Opteron служит 3-значный цифровой номер, где первая цифра означает максимальную масштабируемость систем, в которых он может применяться:

Серия 100 - 1-процессорные серверы и рабочие станции
Серия 200 - серверы и рабочие станции с числом процессоров до двух
Серия 800 - серверы и рабочие станции с числом процессоров до восьми

Последние две цифры маркировки означают относительный рейтинг производительнсти процессора. Относительный в данном случае означает только позиционирование внутри серии, то есть, например, процессор AMD Opteron 244 производительнее относительно AMD Opteron 242. Двузначные рейтинги 2-ядерных (Dual-Core) процессоров AMD Opteron начинаются с 165, 265 и 865, с дальнейшим инкрементом 5.

Экономичные (Low-power) серии процессоров AMD Opteron идентифицируются с помощью дополнительного 2-буквенного суффикса, где HE (High Efficiency) означает TDP 55 Вт, EE означает TDP 30 Вт.

Экономичные (Low-Power) процессоры Opteron

Процессоры AMD Athlon 64 FX

Процессоры AMD Athlon 64 FX созданы на базе технологии AMD64, которая поддерживает выполнение 64-разрядных приложений и оборудована механизмом усовершенствованной антивирусной защиты (Enhanced Virus Protection) при поддержке операционной системы. Процессоры AMD Athlon 64 FX имеют минимальные отличия от своих серверных собратьев AMD Opteron.

Наиболее современный процессор серии - Athlon 64 FX-57, выполнен на базе ядра с рабочим названием San Diego и представляет собой поколение процессорной архитектуры AMD, выпускаемое с соблюдением норм 90 нм с применением SOI. Отличие ядра San Diego от Venice заключается в 1 Мб и 512 Кб кэша L2 соответственно.

Среди возможностей процессора Athlon 64 FX-57 - улучшенный контроллер памяти с поддержкой модулей различной емкости в двухканальном режиме, возможность использования двусторонних модулей памяти без снижения скорости, а также поддержка инструкций SSE3.

Процессор Athlon 64 FX-57 поддерживает номинальное напряжение питания ядра 1,4 В. За счет применения нового техпроцесса достигнуто увеличение тактовой частоты на 200 МГц - до 2,80 ГГц, без изменения TDP (Thermal Design Power), оставшегося на уровне FX-55, то есть, 104 Вт.

Процессоры AMD Athlon 64 X2

Нынешние 2-ядерные процессоры Athlon 64 X2 ранее были известны под рабочим названием Toledo. По аналогии с новыми 90 нм чипами Athlon 64 (ядро Venice), процессоры с ядром Toledo являются обновлением линейки Athlon 64 с приличными изменениями вроде применения 90 нм техпроцесса с использованием технологии SOI (Silicon-on-Insulator) и поддержкой инструкций SSE3.

Несмотря на отдаленное сходство внутренней 2-ядерной архитектуры процессоров серии Athlon 64 X2 с 2-ядерными чипами Pentium XE / Pentium D, версия AMD Toledo отличается едиными, распределенными на два ядра контролером памяти и единым контроллером шины HyperTransport.

Взаимодействие двух ядер с распределенными шинами осуществляется с помощью распределителя шин - Crossbar Switch, исполняющего функции, аналогичные арбитру шины в 2-ядерных процессорах Intel.

Процессоры AMD Athlon 64

В настоящее время компания AMD выпускает великое множество разнообразных моделей процессоров Athlon 64, с разными ядрами, разными тактовыми частотами, разными объемами кэша L2, различающимися версиями встроенного контроллера памяти, под разные процессорные разъемы. Шутка ли, в нынешней линейке Athlon 64 можно насчитать по три-четыре версии чипов с одной и той же тактовой частотой!

На самом деле стоит помнить, что современные процессоры Athlon 64 являются усовершенствованными чипами с архитектурой AMD64, оснащенные поддержкой инструкций SSE3, изготавливаемые с соблюдением норм 90 нм техпроцесса и использованием технологии SOI (Silicon-on-Insulator).

Нынешние процессоры Athlon 64 выпускаются под процессорные разъемы Socket 754 или Socket 939, имеют интегрированный контроллер памяти с поддержкой DDR400, работают с шиной HyperTransport 800 МГц или 1000 МГц.

Процессоры AMD Sempron

Самая обширная линейка нынешних процессоров AMD, реализованная на базе нескольких поколений архитектур, в трех форм-факторах – это массовые чипы Sempron. С одной стороны, среди чипов Sempron под Socket A проглядывают "уши" старого доброго ядра Barton, с другой, в некоторых версиях под Socket 754 и особенно под Socket 939, имеется множество возможностей самых современных ядер AMD, как например, поддержка 64-битных вычислений, инструкций SSE3 или улучшенный контроллер памяти – всё как у "старших".

Как обычно, чипы Sempron для массового рынка обладают меньшим объемом кэша L2 – 128 Кб или 256 Кб. Напомню, что торговая марка Sempron изначально была ориентирована на массовый рынок бюджетных процессоров. Вытеснив собой бренд Duron, бюджетные процессоры Sempron вместили в себя Socket A процессоры Athlon XP, и затем - все бюджетные варианты чипов под Socket 754 с урезанным кэшем L2.

Минувшим летом в категории AMD Sempron также появились версии процессоров под Socket 939 с "облегчённым" объемом кэша L2. Стоит подчеркнуть, что рейтинговая система процессоров Sempron действует только внутри этого семейства и не имеет каких-либо аналогий с PR-рейтингами других серий.

Процессоры AMD Turion 64

Мобильная технология AMD Turion 64 создана и оптимизирована для применения в составе современных тонких и легких ноутбуков. Для процессоров этой серии характерна подержка технологии AMD PowerNow!, увеличивающая время автономной работы от аккумуляторов и уменьшающая тепловыделение. Процессоры AMD Turion 64 сертифицируются на совместимость с беспроводными стандартами IEEE802.11a/b/g, а также Bluetooth.

Процессоры AMD Turion 64 также поддерживают технологию 3DNow! Professional, наборы инструкций SSE2 и SSE3. Чипы AMD Turion 64 обладают 64 Кб кэша инструкций и 64 Кб кэша данных L1, 1 Мб или 512 Кб кэша L2, поддерживают полнодуплексную шину HyperTransport с частотой до 1600 МГц.

Процессоры AMD Turion 64 производятся с соблюдением норм 90 нм техпроцесса с применением технологии SOI, исполняются в 754-контактном корпусе micro-PGA с нормированной тепловой мощностью порядка 25 Вт или 35 Вт.

Для номеров моделей процессоров AMD Turion 64 используется новое буквенно-цифровое обозначение, которое упрощает принятие решений о приобретении мобильных компьютеров конечными пользователями благодаря понятному обозначению как относительной производительности процессора, так и фактора мобильности, определяемого потребляемой мощностью, возможностью устанавливать в легкие и тонкие мобильные компьютеры, а также длительностью автономной работы для данного семейства процессоров.

На рисунке выше показан пример маркировки моделей процессоров AMD Turion 64. Буквенно-цифровые номера процессоров состоят из 2 букв, за которыми следуют цифры. Буквы обозначают класс процессора; вторая буква обозначает фактор мобильности, A - наименьший, Z- наибольший. Например, относительный фактор мобильности модели с номером MT-xx выше, чем фактор мобильности модели ML-xx.

Числа указывают относительную производительность процессора в соответствующем классе процессоров. Чем больше номер, тем более высокой является производительность процессора. Например, общая производительность модели MT-34 выше, чем производительность модели MT-32. В таблице выше приведены примеры номеров моделей процессоров AMD Turion 64 и соответствующих тактовых частот и объемов кэш-памяти – факторов, влияющих на относительную производительность процессора.

Процессоры AMD Mobile Athlon 64 DTR, Mobile Athlon 64, Mobile Sempron

Процессоры AMD Athlon 64 для ноутбуков класса замены настольного ПК (DTR, Desktop Replacement) предлагают производительность и все преимущества полноценных процессоров AMD Athlon 64, обладая при этом улучшенной технологией управления энергопотреблением - AMD PowerNow!

Процессоры AMD Athlon 64 DTR различаются по четырехзначному цифровому номеру модели. Номера моделей процессоров AMD являются показателем, характеризующим производительность соответствующих процессоров AMD на базе широкого спектра тестов производительности. Больший номер модели указывает на более высокую эффективность исполнения программного обеспечения соответствующим процессором. Знак "+" в конце каждого номера модели означает дополнительные возможности повышения производительности.

AMD Mobile Athlon 64 DTR

Процессоры Mobile AMD Athlon 64 c усовершенствованной системой управления электропитанием AMD PowerNow! отличаются низким энергопотреблением, наличием 512 Кб кэша L2, 64 Кб + 64 Кб кэша L1 (инструкции + данные), 16x16 шиной HyperTransport, встроенным 64-битным контроллером памяти с поддержкой PC3200, PC2700, PC2100, PC1600.

Процессоры Mobile AMD Sempron применяются в недорогих мобильных ПК и характеризуются полным набором возможностей чипов Mobile AMD Athlon 64, включая технологию AMD PowerNow! Разве что кэш-память L2 у них меньше - 128 Кб или 256 Кб.

Чипы Mobile AMD Sempron производятся с применением норм 90 нм техпроцесса с SOI, выпускаются в 754-контактном корпусе microPGA без крышки, с проектной тепловой мощностью 25 Вт.

AMD Mobile Sempron

Процессоры AMD завтра

Последний официальный процессорный роадмэп AMD, опубликованый на сайте компании, датирован 10 марта 2005 года. В качестве основы для анализа дальнейших планов AMD по выпуску новых процессорных ядер столь древние выкладки никак не подходят, поэтому придется использовать информацию с летнего AMD 2005 Analyst Day, а также почерпнутые в Сети слухи и прогнозы, скомпилированные по принципу максимальной достоверности. Впрочем, это, скорее, даже не слухи, а утечки информации с различных партнерских конференций AMD.

Планы AMD по выпуску процессоров для настольных ПК

В настоящее время вполне оформившейся проблемой можно назвать отсутствие поддержки процессорами AMD, особенно, для настольных ПК, памяти стандарта DDR2. Пока память DDR2 была медленной, дорогой, с непотребными таймингами, можно было усмехаться над первопроходцами, экспериментировавшими с ее внедрением. Однако теперь отсутствие поддержки DDR2 становится проблемой.

В следующем, 2006 году, компания AMD планирует начать переход к поддержке новыми процессорами Athlon 64 в новом 940-контактном оформлении Socket M2 памяти DDR2. Поскольку контроллер памяти встроен в процессор, реализация поддержки DDR2 чипами Socket M2 не подразумевает нужды в появлении каких-либо особых версий чипсетов под новую платформу. Наряду с этим в AMD намерены учитывать возможный переход в районе 2007 года на использование следующего поколения памяти - DDR-3, равно как и второе поколение стандарта PCI Express.

Процессоры под новый разъем Socket M2, именуемые Revision F, обладают всеми свойствами ныне поставляемых чипов степпинга E, однако обладают оптимизированным термодизайном. Для сравнения: типичный чип Athlon 64 степпинга E с ядром San Diego потребляет ток порядка 80 А и обладает TDP 90 Вт. Новые процессоры степпинга F будут потреблять до 95 А, однако, TDP этих чипов останется примерно тем же. Увы, TDP некоторых процессорных линеек всё же вырастет. Так, для Athlon 64 FX M2 максимальный TDP вырастет до 125 Вт, типичный TDP 2-ядерных чипов (Windsor) составит 110 Вт, одноядерных – 104 Вт.

Поставки первых Socket M2 процессоров с официальной поддержкой DDR2 и своей собственной версии технологии виртуализации Pacifica (примерно то же, что VT у Intel), равно как и технологии безопасности Presidio (LaGrange у Intel) будут весьма актуальны в 2006 году, когда обещано появление нового поколения операционной системы Microsoft Vista в версии с поддержкой Pacifica и Presidio. Вкупе с чипсетами от третьих компаний, системы на новых процессорах будут обеспечивать аппаратную поддержку RAID 5, Serial ATA-2, Serial SCSI и аппаратную же разгрузку TCP/IP.

Согласно самым свежим данным, начало поставок новых 940-контактных Socket M2 чипов Athlon 64 с поддержкой DDR2 состоится не в марте, как планировалось ранее, а в середине второго квартала 2006, ориентировочно – ближе к концу апреля. Обновленная линейка процессоров Athlon 64 и Sempron в новом форм-факторе будет включать в себя как одноядерные чипы Athlon 64, так и версии Athlon 64 X2, Athlon 64 FX.

Что интересно, появление чипов в версии Socket M2 совершенно не означает сворачивание производства Socket 939 процессоров, по крайней мере, в AMD планируют поставки "производительных" 939-контактных чипов под DDR1 как минимум до первого квартала 2007 года. С другой стороны стоит учитывать, что до сих пор в AMD ничего не говорят о возможных планах выпуска новых процессоров Athlon 64 под Socket 939 после начала поставок Socket M2 решений. Вполне возможно, что дальнейшая судьба Socket 939 чипов будет связана исключительно с брендом Sempron, по крайней мере, в свежих планах AMD чипы Socket 939 Sempron фигурируют в планах поставки на второй квартал 2007 года.

Мы привыкли думать, что это всё шикарная архитектура Zen, в которой всё так грамотно продумано и оптимизировано. И, отчасти, это действительно так.

Но еще у AMD в запасе есть ряд технологий, благодаря которым их процессоры могут делать, казалось бы невозможное повышать производительность при уменьшении нагрева и потребления энергии.

Поэтому сегодня мы вам расскажем про технологии процессоров AMD, про которые вы вряд ли слышали. И заодно протестируем их на практике на ноутбуке Acer Nitro 5 с процессором Ryzen, который мы разыгрывать… не будем. Мы тут про технологии говорим вообще-то, а не вот это всё.

Существует проблема! Мы думаем, что процессор – это универсальная штука, мерило производительности ноутбука. Вставил и работает. Но люди пока еще не научились создавать точные копии чего-либо с точностью до атома. Поэтому все сошедшие с конвейера процессоры немного отличаются. Какие-то экземпляры работают получше, меньше греются, стабильнее работают на высоких частотах и т.д. А какие-то, наоборот — хуже.

Более того, одни и те же процессоры работают в разных системах. Где-то хорошее охлаждение, где-то похуже. Одни материнские платы обеспечивают более высокое качество питания, в других, могут возникать перебои с напряжением и пульсациями. Поэтому сложно обеспечить одинаково высокую производительность для каждого конкретного экземпляра процессора в каждой конкретной системе.

Стандартный выход из этой ситуации такой. Производитель процессоров перестраховывается: задает для процессоров безопасные рабочие диапазоны для всех процессоров, которые не позволяют раскрыть весь потенциал железа, зато обеспечивают стабильную работу и одинаковую производительность для всех.

Ну а кто хочет большего — существуют оверклокинг. Пожалуйста, если любишь риск и не нужна гарантия, разгоняй процессор до предела. Но существует и другой подход.

И его смогли реализовать ребята из AMD. Они создали систему, которая позволяет добиться практически максимальной производительности для любого процессора Ryzen в любой конфигурации. И эту систему в AMD назвали SenseMI. Что это такое?

SenseMI

SenseMI объединяет внутри себя несколько умных систем.

Во-первых, это набор датчиков, которые каждую миллисекунду собирают данные о состоянии процессора, различных компонентов на материнской плате, скорости вращения вентилятора и прочее. Вся информация затем передается через шину Infinity Fabric для анализа.

На основе полученных данных SenseMI не только изменяет текущие условия работы, например, снижает тактовые частоты из-за перегрева, но и прогнозирует дальнейшие условия работы. И конечно же, здесь используется машинное обучение .

Давайте разберемся, как это работает?

Precision Boost

SenseMI состоит из нескольких компонентов. Во-первых, это технология авторазгона процессора Precision Boost. Что она делает?

Используя те самые датчики, эта штука отслеживает несколько параметров: температуру процессора и VRM (Voltage Regulator Module) подсистемы материнской платы, сколько энергии потребляет процессор, и на какой частоте он работает, насколько сильно шумит вентилятор.

И если всё в норме, ни один из параметров не превышает предельно допустимый. Precision Boost ехидно потирает ручки и начинает повышать тактовые частоты процессора с шагом 25 МГц. А когда начинает пахнуть жаренным, останавливается.

Иными словами, это похоже аналогичную технологию от Intel Turbo Boost, но она работает с шагом 100 МГц, что куда менее эффективно.

Плюс с появлением процессоров Ryzen второго поколения Precision Boost тоже обновилась до второй версии и теперь умеет регулировать частоту каждого ядра по отдельности. А раньше регулировались одно, две или сразу все ядра.

Обновленный подход, позволит AMD, получить прирост тактовых частот на практике до 500 МГц по сравнению с первой версией технологии.

В ноутбуке Acer Nitro 5 используется процессор Ryzen 4000 серии, значит тут есть как раз вторая версия Precision Boost. И на практике видно, что ноутбук способен долго держать высокие частоты.

Extended Frequency Range

Но и это не всё. У технологии авторазгона от AMD есть приятный бонус, под названием Extended Frequency Range или XFR.

А что если, система SenseMI видит, что вы вашем ноутбуке или ПК используется эффективная система охлаждения, а материнская плата способна выдавать больше энергии. Система позволят задействовать потенциал мощного охлаждения и выйти за пределы максимально допустимой тактовой частоты. Ну а почему нет?

Сейчас актуальная технология XFR 2 и она также как и в случае Precision Boost 2 умеет работать со всеми ядрами по отдельности.

Да, там не будет какого-то невероятного прироста, стоит ожидать +50-100 Мгц. Но всё работает автоматически, а это приятный бонус.

В ноутбуках такая технология уже есть и называется mXFR. Поэтому мы попробовали поймать на превышении МГц наш Acer. Тут установлен AMD Ryzen 5 4600H с максимальной частотой 4.0 ГГц…

Precision Boost Overdrive и Curve Optimizer

Ну и раз уж мы заговорили про выход за пределы максимальных значений в процессорах Ryzen есть две опции, которые позволяют вам существенно прокачать производительность процессора. Но сразу предупреждаю, их активация, автоматически лишает вас гарантии. Они активируются в BIOS, поэтому будьте аккуратны.

Первая технология простая как два рубля — Precision Boost Overdrive. Она позволяет вам повысить максимальную частоту процессора на пару сотен МГц, значение зависит от конкретной модели. То есть это самый настоящий перманентный оверклокинг, который вы можете сделать стандартными средствами. На свой страх и риск, естественно.

А вот вторая технология — это просто пушка, и очень жаль, что она тоже лишает вас гарантии.

Называется технология Curve Optimizer и это самый настоящий динамический андервольтинг.

Те кто хоть раз дела андервольтинг на ноутбуке или ПК знает, что андервольтинг — это лучший софтверный способ борьбы с троттлингом.

В чем суть? На самом деле мы можем повысить производительность процессора одновременно снизив и количество потребляемой энергии и нагрев.

Всё что нужно сделать — это уменьшить количество вольт, которые мы подаем на процессор.

То есть если нарисовать график, на одной оси которой будут вольты, а на другой тактовая частота. Андерволтинг будет выглядеть как сдвиг графика немного вниз. Теперь при том же количестве потребляемой энергии, мы можем достигнуть большей частоты.

Но вот тут есть проблема, если мы сильно снизим напряжение, то на низких частотах еще будет работать, а вот на высоких ему просто не хватит энергии, и у вас всё зависнет. Поэтому приходится андерволтить совсем чуть-чуть.

Curve Optimizer — решает эту проблему применяя динамический андервольтинг, сильнее уменьшая напряжение на низких частотах, и меньше на высоких. Позволяя по максимуму сэкономить энергии на всех частотах. Причем Curve Optimizer позволяет сделать тонкую настройку для каждого ядра. И это очень круто!

И если оверклокинг, в первую очередь, позволяет увеличить однопоточную производительность более высокой тактовой частоты. За счет того, что что все ядра потребляют меньше энергии, меньше нагреваются, соответственно меньше троттлят и в середнем работают на более высокой частоте.

Ну а для ноутбуков с плохой системой охлаждения, андервольтинг часто — это единственное спасение.

Слава богу в случае нашего сегодняшнего Acer Nitro 5 проблем с охлаждением нет.

В играх температура процессора и видеокарты не поднимается выше 60 °C, что говорит о существенном запасе. А в стресс тестах, процессор нагревается до 85 °C, а видеокарта — до 71 °C. Что тоже не много, с учетом того, что стресс тесты — это нереалистичный сценарий. Правда вот уровень шума под нагрузкой, в этом ноте достаточно высокий. Это стоит учитывать.

Pure Power

Окей, в SenseMI — есть и другой, более официальный способ сэкономить энергию помимо андервольтинг.

У Precision Boost и XFR есть технология антагонист — Pure Power. Эта штука наоборот динамически снижает частоту и энергопотребление процессора в моменты, когда он простаивает или когда его загруженность является не полной.

В итоге мы получаем с одной стороны очень мощные, отзывчивые, но при этом энергоэффективные процессоры. Хотя немалую роль тут играет и техпроцесс 7 нм, который используется в 4000-й и 5000-й серии процессоров.

К примеру, в Acer Nitro 5 установлен довольно стандартный аккумулятор 57 Вт⋅ч. Но с этим аккумулятором ноутбук может прожить более 13 часов в режиме простоя с включенным дисплеем. И более 8 часов с рабочим Wi-Fi . Это очень хороший результат.

Neural Net Prediction и Smart Prefetch

Ну и, наконец, система SenseMI не была бы по-настоящему умной, если бы не технологии предсказания. Тут их целых две.

Это технология предсказания ветвлений Neural Net Prediction, занимается предсказанием того, какие инструкции будут необходимы программе на следующем шаге.

И «умная» система кеширования Smart Prefetch предугадывает какие данные вам понадобятся и заранее кэширует.

Обе технологии также являются частью архитектуры Zen многом именно процессоры Ryzen обязаны своей производительностью и отзывчивостью этим технологиям. И этот ноутбук на процессоре Ryzen не исключение. Ну а выгодно приобрести Acer Nitro 5 вы можете в магазине DNS.

Выводы

Сегодня мы обсудили только технологии AMD для процессоров. А есть еще видеокарты и гибридных процессоров, которые используется консолях, в которых тоже есть классные технологии очень сильно повлиявшие на индустрию. Поэтому если вам интересны такие ролики, дайте нам знать, лайком комментарием подпиской.

Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.

Вот вам затравочка — 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и превращает ее в плазму — скажете фантастика?

А мы разберемся как это работает и расскажем об одной компании из Европы, которая стоит тенью за всеми гигантами Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung и другими и без нее никаких новых процессоров бы и не было. И нет это, к сожалению, не Чебоксарский завод электроники.

Чтобы понять процесс экстремальной ультрафиолетовой литографии — нам надо для начала понять, что вообще такое фотолитография. Сам процесс по своей сути очень похож на то как печатаются фотографии с пленочных негативов на фотобумагу! Не верите — сейчас все объясним.

Фотолитография

Начнем с простого примера — возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.

В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.

Хорошо — рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны.

Опять же как и на фотопленке или фотобумаге — специальные слои материалов реагируют на свет!

После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!

Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.

Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именно эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.

Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длины волны в 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!

Длина волны на которой светит наш “фонарик” — это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.

Правило максимально простое: Меньше длина волны — больше разрешение, и меньше техпроцесс!

Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.

Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета — отсюда и название.

Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.

Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.

Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):

Здесь Лямбда — это и есть наша длина волны, а CD — это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии можно получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.

Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование. Назовем это принципом слоеного пирога!

Да — производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!

Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.

То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!

То есть можно сказать, что DUV — это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?

И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!

Посмотрите на фото — оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили — тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же — технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски — разница очевидна — границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?

Как работает EUV-литография

Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!

Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 годов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров — то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!

В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров — настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовый мир!

Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник — возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.

Все совсем не так просто!

Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?

Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими. Практически идеально гладкими!

Вот вам аналогия — растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее поверхность должна быть такой гладкой, что ничего не должно выпирать больше чем на 1 миллиметр. Этот параметр называется шероховатостью линзы и у нужной нам он должен быть меньше 0.5 нанометра. Это уже близко к размерам АТОМА! Кто же сможет подковать блоху?

Конечно, Zeiss — только они на это способны! Да — та самая компания Zeiss, чьи линзы стоят на моем фотике, были в Nokia или во флагманах Sony Xperia.

Одна проблема решена — линзы есть!

Есть и вторая — этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!

Про частички пыли и грязи я вообще молчу — понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи, кожи или воздуха может испортить и маску и зеркала!

А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.

И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон — нам нужна плазма.

Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.

В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире — немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.

Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.

И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.

Компания, стоящая за производством всех процессоров

О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал, но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!

В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться — Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов — что за темная лошадка?

Все дело в том, что ASML создали тот самый инструмент без которого Apple, Самсунг и Intel с AMD фактически как без рук! Речь идет об установке стоимостью более 120 миллионов долларов. Она огромная, 180-тонная, потребляет почти 1 мегаватт электроэнергии, и ей нужно почти 1.5 тонны воды в минуту для охлаждения! Но даже при такой цене очереди на них стоят годами ведь в год этих машин производится несколько десятков штук.

Тут же стоит упомянуть немалый вклад российских умов. Например, один из создателей этой технологии — Банин Вадим Евгеньевич, сейчас директор по разработке в ASML. Также в компании работают и другие наши соотечественники!

Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!

Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячью компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!

Будущее

Но что же будет дальше! Вы что — думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет — мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!

Во-первых, прямо сейчас, пока вы смотрите это видео, TSMC уже штампует новые процессоры для HUAWEI, Apple и Samsung с использованием EUV-литографии, но не на 7 нм, как было с Apple A13 и Kirin 990, а на 5 нм техпроцессе! И этому есть множества подтверждений! И о них мы услышим уже этой осенью. Как вам такое — A14 Bionic будет 5нм! Так же ждем новые Exynos на 5 нм и процессоры Google, о которых мы рассказывали отдельно! Qualcomm наверняка тоже подтянется за ними, но тут мы не располагаем данными!

А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!

Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика — она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.

Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты будут занимать еще больше места, посмотрите вот так для них делают оптику!

Этот год тяжелый для всех, но в тоже время — посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.

Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU — для нейровычислений.

ЦП - это ужасно сложная аппаратная часть. Даже самые слабенькие Atom-процессоры от Intel содержат более 40 миллионов транзисторов на куске кремния размером с ноготь.

Когда вы представляете процессор, вы, вероятно, думаете о небольшом квадрате монтажной платы с металлическим корпусом, установленным на нем. Это процессорный пакет. Корпус не снимается, но если бы вы его разберёте, то обнаружите один или несколько маленьких квадратиков кремния под ним. Это штампы, который содержит функциональные возможности процессора.

Маленький квадратик-кристалл процессора, большой-графическое ядро. Маленький квадратик-кристалл процессора, большой-графическое ядро.

В любой компьютерной системе наиболее важным компонентом является процессор, который также обычно называют микропроцессором. Компьютерный процессор обрабатывает информацию и интерфейсы со многими другими системными элементами для извлечения данных для обработки и возврата обработанных данных.

Скорость компьютерного процессора является важным фактором в определении производительности ПК, то есть как быстро выполняются инструкции.

Процессор также является одним из самых дорогих компонентов на материнской плате. Это очень тонкое и чувствительное устройство , поэтому с ним следует обращаться с осторожностью. Сам процессор представляет собой плоскую пластину из кремния, состоящую из миллионов транзисторов, протравленных на кремниевую пластину, чтобы сформировать огромную схему компьютерной логики.

Керамическая или металлическая крышка размещается над микросхемой для ее защиты и для отвода тепла к радиатору. На это защитное керамическое или металлическое покрытие обычно наносят информацию о процессоре.

Что же содержит процессор?

Процессор может содержать один или несколько блоков обработки. Каждый блок называется ядром . Ядро содержит , блок управления и регистры, Обычно компьютеры имеют два (двух), четырех (четырех) или больше ядер. Процессоры с несколькими ядрами имеют больше возможностей для запуска нескольких программ одновременно.

Вот так выглядит процессор Сore 2 Duo под микроскопом.

Однако удвоение количества ядер не будет просто удваивать скорость компьютера. Процессорные ядра должны взаимодействовать друг с другом по каналам, и это увеличивает некоторую дополнительную скорость.

Процессор AMD Phenom II X6 1090T под микроскопом. На фотографии кристалла можно различит шесть ядер с кэш-памятью на каждом, а также общий разделяемый кэш, занимающий четверть площади кристалла. Процессор AMD Phenom II X6 1090T под микроскопом. На фотографии кристалла можно различит шесть ядер с кэш-памятью на каждом, а также общий разделяемый кэш, занимающий четверть площади кристалла.

Тактовая частота.

Как правило, на компьютере установлена максимальная тактовая частота, но эту скорость можно изменить в настройках BIOS компьютера, Некоторые люди увеличивают тактовую частоту процессора, чтобы попытаться заставить их работать быстрее - это называется разгон .

Кэш - это небольшой объем памяти, который является частью процессора. Он используется для временного удержания инструкций и данных, которые процессор может повторно использовать.

Блок управления процессора автоматически проверяет кеш для инструкций перед запросом данных из ОЗУ. Извлечение инструкций и данных из ОЗУ - относительно медленный процесс. Передача их и из кэша занимает меньше времени, чем передача в оперативную память и обратно.

Чем больше кэш-памяти, тем больше данных можно хранить ближе к процессору.

Кэш бывает первого, второго и третьего уровня, соответственно L1,L2 и L3

L1 обычно является частью самого чипа CPU и является самым маленьким и самым быстрым для доступа. L2 и L3 кэши больше чем L1 . Это дополнительные кеши, построенные между ЦП и ОЗУ. Иногда L2 встроен в процессор вместе с L1. Извлечение данных из L2 и L3 занимает немного больше времени, чем из L1. Чем больше памяти L2 и L3 доступно, тем быстрее может работать компьютер.

Графическое ядро

Во многие современные процессоры встраиваются графические ядра, которые играют роль видеокарты. Даже если в компьютере нет видеокарты, процессор с графическим ядром будет выполнять её функции

Читайте также: